基于二维材料的柔性可穿戴气体传感器研究进展

在物联网（IoT）时代，柔性可穿戴气体传感器在医疗健康、环境安全和工业安防等实时监测领域正变得愈发重要。这类气体传感器能够在室温下检测有害气体，并可无缝集成到衣物和便携式设备中。二维（2D）材料，包括过渡金属硫族化物（TMD）、黑磷（BP）、MXene、石墨烯及其衍生物、金属有机框架（MOF）等，因其卓越的电学、力学及物理化学特性（例如大比表面积、高载流子迁移率和本征柔性）而备受关注。

近日，西南交通大学和澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）的研究人员组成的团队在Small Science期刊上发表了题为“Recent Advances in Flexible and Wearable Gas Sensors Harnessing the Potential of 2D Materials”的综述论文，概述了基于二维材料的柔性可穿戴气体传感器在设计、制备及应用方面的最新进展，重点阐述了缺陷引入、复合材料构建和表面功能化等工程方法在显著提升传感器灵敏度、选择性和响应时间方面的作用。该综述比较了不同材料体系的性能数据，并介绍了二维材料在聚合物、纺织品及纸张等多种柔性衬底上的有效集成策略，强调了其在机械应力下的耐久性。该综述还深入探讨了当前面临的主要挑战，包括规模化生产、长期稳定性以及环境湿度干扰等问题。此外，文中还提出了诸如自愈合传感器、人工智能驱动的传感器阵列、原位表面钝化以及结合机器学习算法的多传感器平台等创新性解决方案，为推动新一代可穿戴气体传感技术发展提供了宝贵的见解。

柔性可穿戴气体传感器的基本组成

一款标准的可穿戴气体传感器通常由可拉伸的衬底和两个关键功能部分组成：传感材料与换能单元。传感材料与被测气体发生相互作用，引起其化学或物理性质（例如电导率、介电常数或功函数）发生变化，这些变化随后通过换能单元转化为可读的信号，例如电流（I）、电容（C）、电阻（R）/阻抗（Z）、电压（V）或电位（E）。通过采用不同类型的换能器，例如指叉电极（IDE）、电阻器、电容器、二极管、场效应晶体管（FET），可通过监测可读电信号的变化来检测并量化气体分析物的存在。这些信号随后经过放大、滤波及分析等处理，最终提供关于气体种类与浓度的有效信息。此外，衬底材料的选择在可穿戴设备设计中同样起着至关重要的作用。

可穿戴气体传感器可以直接贴附于皮肤上，或集成到衣物和配饰中，因此必须具备轻量化、微型化和易用性。除了轻便和低成本之外，用于可穿戴电子设备的衬底还需要具备柔性或可拉伸性。目前，已有基于聚合物、纸张、纺织物等衬底被用于可穿戴气体传感器。

柔性可穿戴气体传感器的制造和集成技术

为了实现基于二维材料的柔性可穿戴气体传感器，需要采用合适的制备工艺将传感材料和电极沉积或图案化在柔性衬底上。关键考虑因素包括：较低的加工温度（以适应塑料衬底）、适用于大面积或批量生产的可扩展性，以及保持二维材料的本征性能。研究人员介绍了溶液处理和涂层、打印技术（喷墨打印、丝网印刷和3D打印）、化学气相沉积（CVD）和转移、逐层（LbL）组装和自组装等技术。

图1 柔性可穿戴气体传感器的制备工艺示例

用于柔性可穿戴气体传感器的二维材料

二维材料展现出卓越的特性，使其非常适用于柔性可穿戴气体传感器的应用。其原子级厚度和高比表面积不仅增强了化学反应活性，还使其能够无缝集成到器件制备工艺中。这类材料的厚度通常从单层原子到几微米不等，横向尺寸可达数厘米，非常适合大规模组装，同时又不会牺牲其本征性能。

二维材料家族已显著扩展，目前已包括石墨烯及其衍生物、黑磷（BP）、过渡金属硫族化物（TMD）、六方氮化硼（hBN）、金属氧化物（MO）、金属有机框架（MOF）、共价有机框架（COF）、基于氮化物的纳米材料、MXene化合物及其他二维化合物。这些材料具有多样化的特性，例如可调导电性、带隙调控以及高化学反应活性，拓宽了其在气体传感领域的应用前景。

TMD因其可调带隙、高电导率、良好的机械柔性和稳定性，而被认为是开发柔性可穿戴气体传感器的极具潜力的材料。TMD的化学式通常表示为MX₂，其中M表示过渡金属，例如钼（Mo）、钨（W）或锆（Zr），X表示硫族元素，例如硫（S）、硒（Se）或碲（Te）。

这些材料由于其独特的二维形态而具有高比表面积，从而增强了与气体分子的相互作用。它们的结构由单层内部的共价键和层间的弱范德华力组成，使得材料能够容易地剥离成单层。这种特性使得TMD成为需要柔性、稳定且具有高灵敏度和选择性的气体传感器应用的理想材料。

图2 基于2D TMD的柔性可穿戴气体传感器示例

MXene是一类新型的二维材料，具有优异的电学性能、高比表面积、可调带隙以及丰富的吸附位点，使其成为柔性气体传感器的理想候选材料。其通式为Mn+1XnTx，其中M表示过渡金属，X表示碳或氮，Tx表示表面官能团（例如⁻O、⁻OH、⁻F、⁻Cl），这一结构特点凸显了MXene独特的结构和化学多样性。该家族的首个成员Ti₃C₂Tx是通过从Ti₃AlC₂中刻蚀铝制备而成，为基于MXene的材料的广泛探索奠定了基础。

凭借这些独特特性，基于MXene的气体传感器以其在室温下对挥发性有机化合物（VOC）的高灵敏度而闻名。

图3 基于2D MXene的柔性可穿戴气体传感器示例

GO、rGO以及原始石墨烯是用于柔性可穿戴气体传感器技术的重要二维碳材料。尽管它们在结构上相关，但这些材料表现出各自独特的性质，这些差异显著影响了它们在实际应用中的适用性、可扩展性以及在机械变形下的性能。

原始石墨烯具有出优异的本征性能：极高的载流子迁移率（室温下约为2 × 10⁵ cm²/Vs）、杨氏模量（约1 TPa）、热导率（约5000 W/mK），以及高达约97.7%的光学透明度。这些特性为石墨烯卓越的机械韧性和传感能力提供了坚实基础。

图4 基于石墨烯的柔性可穿戴气体传感器示例

2D MOF是通过金属节点与有机配体之间的配位键合成的。这种2D MOF纳米片具有超高的比表面积（通常为1000–5000 m²/g）、多样的孔径、高热稳定性和机械稳定性以及多样的结构，这些特性使其成为气体传感应用的有前景候选材料。

图5 基于2D MOF的柔性可穿戴气体传感器示例

小结

基于二维材料的柔性可穿戴气体传感器的快速发展凸显了其在环境监测、医疗诊断和工业安全等领域日益增长的重要性。本综述对不同材料体系、传感器结构及制备方法进行了深入分析，强调了特定应用需求如何决定材料选择。尽管该领域已取得了显著进展，但在实现这些技术在实际应用中的全面落地，仍需克服若干关键技术障碍。

未来的发展将取决于对材料退化、信号漂移、环境干扰以及生产规模化等相互关联挑战的有效应对。一个有前景的方向是合理设计多功能混合材料，例如将催化性金属纳米粒子与导电二维片材相结合，可在不牺牲柔性的前提下同时提高灵敏度和选择性。同样，仿生及自适应传感界面的引入，使其能动态应对环境波动，有望提升可穿戴设备的鲁棒性。随着持续的技术创新，这类柔性可穿戴气体传感器有望在物联网时代发挥变革性作用，推动分布式诊断、个体环境暴露监测及智能安全响应系统的广泛应用。